一种升膜式尿素水热制氨的反应器和尿素水解制氨工艺方法与流程

本发明涉及一种用于烟气脱硝用尿素水热制氨的升膜式水解反应器和尿素水解制氨方法。

背景技术：

选择性催化还原（selectivecatalyticreduction）脱硝工艺是目前燃煤电厂的主要脱硝工艺，其原理是在一定温度和催化剂的作用下，还原剂有选择的把烟气中的nox还原为无污染的n2和水。目前工业应用的还原剂主要是氨或者是尿素，其中采用氨作为还原剂需要使用氨气蒸发供应系统，即先将液氨蒸发为氨气，然后通过氨气缓冲罐，然后再与空气（利用稀释风机输送）在混合器中混合，然后再进入喷氨格栅，最后再进入催化反应器进行反应。由于液氨在运输、贮存需要防火防爆等问题。在部分远离液氨生产的地区，或在电厂居民区附近由于安全因素主要采用尿素制氨工艺提供脱硝所需的氨气。

尿素制氨工艺包括尿素水解制氨工艺和尿素热解制氨工艺。其中尿素水解制氨工艺由于反应温度低、设备国产化率较高，可以利用二次蒸汽等原因，使得水解制氨的成本低于尿素热解工艺，因此在实际工程应用中逐渐开始推广起来。尿素水解反应是尿素生产过程的逆反应，其反应可以认为由2步组成：

nh2conh2+h2o=nh2coonh4-15.5kj/mol(1)

nh2coonh4=2nh3+co2+177kj/mol(2)

第1步反应为尿素与水生成氨基甲酸胺欲，该过程为微放热反应，反应过程非常缓慢；第2步反应为强吸热反应，氨基甲酸胺迅速分解生成氨气和co2，反应过程非常迅速。对于水过剩的尿素溶液，过量水的存在可以加快反应速率的进行。在有过量水参与的情况下，尿素水解总的化学反应式为:

nh2conh2+xh20=2nh3+co2+(x一1）h20+161.5k7/mol(3)

尿素水解制氨系统包括尿素仓储、卸料给料设备，尿素溶液制备及储存设备，尿素溶液的输送与循环设备，尿素溶液的水解反应器。其中尿素水解反应器是尿素水解制氨的核心设备。目前，国内某企业开发的尿素水解反应工艺及装置在国内部分电厂得到应用。其结构及技术特点为：

1）采用尿素溶液水解制氨釜式反应器，主要由釜式圆筒结构反应釜、以及设置在卧式长筒型反应釜内部的u型换热盘管、以及设置在卧式长筒型反应釜外壁上的产品气出口管和尿素溶液喷射进料口构成。

2）反应器采用u型换热盘管完全浸泡于被传热尿素溶液中，冷侧液体受热后内部由下到上的进行着自循环。

3）加热蒸汽在管程，被加热尿素溶液壳程。与壳程相比管程完全浸没在反应液中。

4）采用撬装设计，将反应器及相关管路热控仪表模块化一体化设计。

其主要优点在于撬装化、模块化设计。但也存在以下问题：

1）管程为加热蒸汽，蒸汽在换热过程中凝结于管程内壁形成液膜，虽有高速蒸汽吹扫变薄，但仍影响换热效率。尤其在管程末端凝结水量加大可能形成液/液换热效率更低。

2）由于反应液在壳程，主要换热反应发生在u形管外壁，反应液在外壁上分解形成微小气泡扩散到反应液中逸出。而微小气泡的形成与液/固（u管壁）换热效率相比下降很多。

3）由于反应液在壳程，因此反应器的反应液保有量大。

4）虽然在壳程设置了折流挡板，与反应液在管程相比，反应液流速过低在u管外侧为滞流不利于设备换热。

5）过大的反应器体积提高了设备的造价，同时不利于设备的整体保温增加了设备能耗。

基于问题1）、2）、4）的原因，该反应器，换热效率低，完成相同的换热量所需的换热面积增大，相应提高了反应器的体积。由于问题3）和过大的反应器体积使反应器中反应液尿素溶液的保有量大，在scr负荷变化条件下，反应生成氨气的响应时间过长。由于反应器采用卧式长筒型反应釜，其体积过大，反应液保有量大，启动时反应液加热到所需反应温度时间过长，同时对设备的占地面积和设备载荷提出了更高的要求。其制氨产量126kg/h的水解反应器其占地面积为7mx2.5m。

由于反应器对由于在scr负荷变化导致氨气流量波动的响应时间过长，设备在启动时启动时间过长等原因，导致氨气逃逸或由于氨气量不足导致烟气中氮氧化物不达标排放。

因此，有必要研发一种换热效率高，占地面积小，响应时间短，启动时间较短的尿素水解反应器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种换热效率高、占地面积小、响应时间短、启动时间较短的高效尿素水解反应器及尿素水解制氨工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于烟气脱硝尿素水解制氨工艺的升膜式自循环反应器，其特征在于：1）水解反应器采用升膜式自循环水解反应器。反应器垂直立式安装，采用管壳式结构，尿素溶液在管程，水蒸汽在壳程，尿素溶液接近分解温度条件下进入反应器，在管侧受热分解形成氨气和二氧化碳，反应生成的气体上升至至反应器顶部经汽水分离器排出。尿素溶液在气流的作用下在反应器的管程以液膜状态下抬升至反应器的持液层；2）在反应器的上部和底部之间设有一联通管，尿素溶液在达到反应器上部后，在上部维持一定的尿素溶液液位，夹带上来的尿素溶液经过连通管回流至反应器底部，由于液体的密度大于气液混合物的密度，在反应器内部形成尿素溶液的循环；3）尿素溶液从反应器底部联通管水平段进入，尿素溶液进口在连通管内以喷管的形式出现。利用进口尿素溶液的高速流动促进反应器内部的溶液循环；4）在壳程加热蒸汽进口为一个或多个，对于多个蒸汽进口可以根据反应器上中下（或上下）分层布置，每层的蒸汽入口应均布；5）其换热管的面积应根据反应器的设备出力（氨气的产量）确定，并有50%的设计裕量。为加快管内尿素溶液的流动速度，设备整体的长径比不小于5，换热管的长径比不小于100，一般为300。换热管的外直径不大于15mm。管内气体流速不低于15m/s,一般为30m/s；6）其进口的尿素溶液的质量浓度为40%～50%，比重1.13～1.15，ph值7～10；7）在反应器的上部有出雾器，除雾器为丝网式或其他适宜形式，除雾器应设置两层，去除反应生成氨气二氧化碳所夹带的尿素溶液；8）反应器壳程底部设有疏水口，冷凝水通过疏水口经疏水阀排至疏水回收水箱（与预热器器的回收凝结水共用）。疏水箱的回收水可以用于尿素的溶解或其他用途；9）反应器的壳程的材质可以采用304不锈钢或碳钢，换热管、反应器的上、下封头、除雾器等与氨气及尿素接触部分应采用304或316l不锈钢；10）在反应器的下部应设有排污阀，在反应器的壳程上部设有安全阀及温度、压力测量装置；11）反应器出口设有有加热盘管，使反应器排出的气体高于它们的露点温度。一般不低于150℃。

上述所指的用于烟气脱硝尿素升膜自循环尿素水解反应器的水解制氨工艺，其特征如下：1）尿素水解制氨工艺由尿素储运、尿素溶解、尿素输送、尿素预热系统、尿素水解制氨系统，以及疏水回收水箱及疏水泵等辅助设备组成。

上述所指的用于烟气脱硝尿素升膜自循环尿素水解反应器的水解制氨工艺，其特征如下：1）尿素水解制氨工艺由尿素储运、尿素溶解、尿素输送、尿素水解制氨系统，以及疏水回收水箱及疏水泵等辅助设备组成；2）在尿素溶液预热阶段通过控制加热水蒸气的流量或开关控制尿素溶液在预热器出口的温度维持在130℃，出口压力不小于0.55mpa。将尿素水解反应控制在第一阶段，避免由于尿素在预热器提前水解产生氨气和二氧化碳影响预热器的换热效果；3）在水解制氨阶段，通过控制加热水蒸气和尿素溶液的流量来控制反应器的氨生成量。以满足不同工况下烟气脱硝的氨气用量。控制反应温度在145℃～165℃，反应压力在0.55～0.70mpa；4）尿素深度水解制氨系统使用的汽源为电厂中压供热蒸汽，汽源压力约3.5mpa，温度420℃二经过减温减压装置得到压力0.5～0.8mpa，温度150℃～170℃的蒸汽，供水解系统使用；5）与水解反应器连接的氨气管道应加强伴热和保温，是管道内温度不低于混合气体的露点温度；6）可能的条件下，尿素水解区域内设置有氨气吸收系统，用于事故状态下氨气的吸收。该系统主要由氨气吸收罐、连接管道和喷淋水管组成。尿素水解反应器、氨气缓冲罐安全门排放管道连接至氨气吸收罐。水解器出口有管道直排氨气吸收罐，当出现异常时，氨气排入氨气吸收罐，当吸收罐内温度达到40℃时启动开启喷淋，大量消防水喷出吸收氨气。含氨废水通过氨气吸收罐的溢流水管排出进入废水坑；7）在尿素的输送管道应加强保温及伴热是尿素溶液的温度不低于40℃，防止由于温度较低尿素结晶导致管道堵塞。

其中，上述所指的用于烟气脱硝尿素水解反应器的尿素溶液预加热系统主要包括尿素溶液预热器及相关管路组成，其特征在于：1）预加热器可以采用管壳式换热器或板式换热器，对于管壳式换热器尿素溶液在管侧流动，水蒸汽在壳侧冷凝，对于板式换热器则一侧为尿素溶液另一侧为蒸汽；2）换热器的冷凝水通过预热器底部的疏水口经疏水阀排至疏水回收水箱（与升膜自循环尿素水解反应器的回收凝结水共用）。疏水箱的回收水可以用于尿素的溶解或其他用途。3）预热器的换热面积应满足尿素溶液从室温加热至接近反应温度（130℃）所需的换热面积的150%，加热蒸汽的温度为135℃～140℃。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是用于烟气脱硝尿素水解制氨的升膜自循环反应器的制氨工艺流程示意图；

图2是用于烟气脱硝尿素水解制氨的升膜自循环反应器的结构示意图；

1）下封头、2）升膜式换热器、3）除雾器、4）上封头、5）尿素循环连接管、6）尿素溶液循环进口、7）排污口、8）加热蒸汽入口（一个或多个）、9）疏水口、10）温度计接口、11）压力表接口、12）壳程安全阀接口。13）尿素溶液溢流口、14）液位计口、15）一级除雾器层、16）二级除雾器层、17）换热蒸汽盘管、18）氨气及二氧化碳出口、19）压力表接口、20）反应器安全阀接口、21）温度计接口。

尿素水解制氨工艺由以下设备以及相关泵阀管道仪表组成，具体设备如下：尿素斗提机、尿素储仓、尿素中间储仓、尿素溶解罐、尿素溶液储罐、尿素溶液预加热器、升膜式自循环水解反应器、氨气缓冲罐、疏水水箱、氨气吸收系统。

预加热器可以采用管壳式换热器或板式换热器，对于管壳式换热器尿素溶液在管侧流动，水蒸汽在壳侧冷凝，对于板式换热器则一侧为尿素溶液另一侧为蒸汽

尿素升膜式自循环水解反应器主要由1）下封头、2）升膜式换热器、3）除雾器、4）上封头、5)尿素循环连接管组成。在下封头设有6)尿素溶液循环进口、7)排污口。在升膜换热器设有8)加热蒸汽入口（一个或多个）、9)疏水口、10)温度计接口、11)压力表接口、12)安全阀接口。在除雾器下部设有13)尿素溶液溢流口，以及14)液位计口，除雾器上部包括15)一级除雾器、16)二级除雾器、17)换热蒸汽盘管。上封头设有18)氨气及二氧化碳出口、19)压力表接口、20)安全阀接口。在尿素溶液循环管设有21)温度计接口。

具体实施方式

实施例参见图1所示，这种用于烟气脱硝的尿素水解制氨的升膜式自循环水解反应器由尿素溶液预热器和升膜式自循环反应器两部分组成。尿素经外运至尿素水解制氨场地后，经斗提机输送至尿素储仓经尿素中间储仓（计量用）通过重力落至尿素溶解罐，在尿素溶解罐经搅拌及加热在除盐水中溶解成45%～55%的尿素溶液，经尿素混合泵泵送至尿素溶液储罐，尿素溶液储罐的尿素溶液经尿素输送泵输送至尿素溶液预加热器，在尿素溶液预加热器管程的尿素溶液被二次蒸汽加热至135℃后进入升膜式自循环水解反应器，在尿素溶液在反应器的管程上升过程中，尿素溶液在管壁吸收热量发生水解反应生成氨气和二氧化碳，从管壁逸出的气体快速上升减薄了换热管壁尿素溶液的液膜厚度，带动了尿素溶液的爬升速度，提高了反应器的换热效率，当尿素溶液至反应器的上部时由于反应器的尿素回流口与管程与一定距离，在反应器上部形成了一定高度的持液层，由于持液层的存在在反应器上部的尿素溶液在重力作用下回流至反应器管程入口，与进入反应器的尿素溶液混合重新进行水解反应。反应生成的氨气、二氧化碳经反应器上部的除雾器去除尿素溶液后进入氨气缓冲罐用于电厂锅炉烟气脱硝反应。在尿素预热器和尿素水解反应器中凝结的蒸气经疏水阀统一排放至疏水水箱用于尿素的溶解或其他工艺用水。在尿素制氨区域设有氨气吸收系统，用于事故状态下氨气的吸收。该系统主要由氨气吸收罐、连接管道和喷淋水管组成。水解器、氨气缓冲罐安全门排放管道连接至氨气吸收罐。水解器出口有管道直排氨气吸收罐，当出现异常时，氨气排入氨气吸收罐，当吸收罐内温度达到40℃时启动开启喷淋，大量消防水喷出吸收氨气。含氨废水通过氨气吸收罐的溢流水管排出进入废水坑。